面向机器人操作的技能级数据增广方法
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国家自然科学基金青年科学基金项目B类(62522602); 江苏省杰出青年基金项目(BK20250073); 中国电子学会-腾讯Robotics X犀牛鸟专项研究计划项目; 本研究工作得到东南大学大数据计算中心共享服务平台的支持


Skill-Level Data Augmentation for Robotic Manipulation
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    摘要:

    面向视觉驱动运动策略的模仿学习在机器人操作中展现出良好前景,但其性能通常依赖大量代价高昂的人工示教数据。仿真环境中的合成数据生成能够在一定程度上缓解真实示教不足的问题,但该方式往往需要复杂的仿真器构建、数字资产制作和参数调试,且在真实场景部署时仍受仿真到现实迁移差异的限制。因此,机器人操作领域亟需一种轻量化、即插即用的数据增广框架。针对上述问题,本文提出一种面向真实机器人示教的数据增广框架。该框架以三维点云为主要表示,通过轻量化场景编辑对已有示教进行重组和扩展。已有研究表明,运动规划级增广能够通过轨迹变换和路径重规划提升策略对物体空间布局变化的泛化能力;与之不同,本文进一步关注完成技能阶段的数据增广,以提升策略在接触操作和物体交互过程中的稳定性与泛化能力。在每个任务仅需一条人工示教的条件下,本文设计了两种技能级增广机制:失败恢复将被扰动的执行轨迹转化为纠错训练信号,使策略学习从执行偏差中恢复;接触保持扰动在保持接触区域几何不变的前提下,仅对物体非接触区域施加结构化形变,以引导策略关注任务相关的局部接触特征。在多类真实机器人操作任务上的实验结果表明,所提方法能够显著提升任务成功率,并在分布外物体和分布外失败恢复场景中表现出更强的泛化能力,验证了完成技能阶段数据增广的有效性。

    Abstract:

    Imitation learning for visuomotor policies has shown strong promise in robotic manipulation, yet it typically relies on a large amount of costly human demonstrations. While synthetic data generation in simulation can partially alleviate this dependence, it requires substantial engineering efforts and remains limited by the sim-to-real transfer gap. A lightweight, plug-and-play data-augmentation framework for robotics is still lacking. To address this gap, we propose a data augmentation framework for real-robot demonstrations, which takes 3D point clouds as its representation and rearranges scene elements via lightweight editing. Prior work has shown that motion-level augmentation (e.g., trajectory variation) is effective for improving spatial generalization; in this paper, we instead focus on skill-level augmentation to enhance stability and generalization during manipulation and physical interaction. Given only a single human demonstration per task, we introduce two mechanisms: Failure Recovery, which turns perturbed trajectories into corrective training signals, and Contact-Preserving Perturbations, which deform only the non-contact regions of a manipulated object while keeping the contact geometry intact. Extensive real-robot experiments across diverse manipulation tasks show that the proposed method significantly improves task success rates and generalizes better to out-of-distribution objects and perturbed executions, confirming the effectiveness of skill-level augmentation.

    参考文献
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引用本文

徐赫洋,魏钰昊,林子尧,魏秀参.面向机器人操作的技能级数据增广方法.软件学报,2027,38(5):

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  • 收稿日期:2026-04-27
  • 最后修改日期:2026-06-18
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  • 在线发布日期: 2026-09-14
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